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AVALIAÇÃO DE MAPA DE ORIENTAÇÃO AO VISITANTE ATRAVÉS DO RASTREAMENTO OCULAR
M. J. Alixandrini Jr1, T. C. A. Monteiro2, N. L. Jesus3, V O Fernandes4
1,3, 4 Universidade Federal da Bahia, Brasil 2 Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, Brasil
Comissão III - Cartografia
RESUMO
O rastreamento ocular é uma técnica utilizada para medir a posição observada por um usuário, se mostrando uma ferramenta útil na
avaliação da cognição e percepção em diferentes áreas do conhecimento. Com o intuito de utilizar a tecnologia na avaliação
cartográfica, o trabalho propõe a avaliação de mapa de orientação ao visitante. A principal relevância da proposta está na perspectiva
de construção de um diagnóstico do produto cartográfico, a partir de dados mais objetivos, como mapa de pontos de fixação do olhar
derivado do rastreamento ocular. Foi realizado um teste de usabilidade avaliando preliminarmente o uso dos rastreadores oculares em
âmbito cartográfico e restringindo o número de usuários e o perfil desses usuários. Foram utilizados os softwares Haytam Server e
Haytam Client para a aquisição dos dados. Elaborada uma montagem apropriada ao experimento, seguiram-se etapas de calibração,
coleta, edição e análises das fixações obtidas. Os resultados foram analisados a partir de três tarefas de roteirização dentro do campus
da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro (UFRRJ), avaliando o Mapa do Campus Seropédica. Analisando o tempo necessário
aos participantes para realizarem as três tarefas e a distribuição das fixações foi possível inferir sobre grupos e características
prejudiciais e benéficas da representação.
Palavras-chave: Rastreamento Ocular, Mapas de Localização, Cartografia.
ABSTRACT
The eye tracking is a technique used to measure positions observed by user, proving a useful tool in assessment of
cognition and perception in different areas of knowledge. In order to use the technology in cartographic evaluation, this work
proposes the evaluation of orientation map to visitor. The main goal of this proposal is the building a diagnostic of the cartographic
product from more objective data. This project used map attachment points that derived of eye tracking. As a preliminary step, a
usability test was performed to evaluate the use of eye tracking in cartographic scope. There was restricting the number of users and
the profile of these users available to test. The Haytam Server and Client Haytam were software for data acquisition used. Elaborate
an appropriate assembly to experiment followed by calibration steps, collecting, editing and analysis of the obtained fixings. The
results analyzed were from three routing tasks within the campus of the Rural Federal University of Rio de Janeiro, evaluating the
Campus Map Seropédica. Analyzing the time needed for participants and the result of three tasks and the distribution of fixations was
possible to infer about groups and harmful and beneficial features of representation.
Keywords: Eye Tracking, Orientation Map, Cartography.
1- INTRODUÇÃO
A avaliação de mapas com o uso de
rastreamento ótico é recente, havendo pouca
bibliografia que trata do assunto
(MELCHIADES,2014; KOWALIK,2010). Com isso o
método analisado se restringe à análise da distribuição
dos pontos de fixação rastreados pelo sistema montado.
A montagem depende de roteiros open source
hardware e, a operação, de open source software;
entretanto, os dados resultantes ainda sofrem
processamento para que se gerem produtos capazes de
simplificarem a análise das tarefas propostas.
2 - O MOVIMENTO OCULAR E O RASTREIO
DESTE MOVIMENTO
O movimento ocular é de ampla relevância para
averiguar os processos cognitivos, pois permite
assimilar o melhor funcionamento dos componentes
oculares, como também assegura indicadores
confiáveis do processo de atenção.
Os movimentos oculares são divididos em cinco
classes principais: smooth pursuits, reflexos oculares,
vigência, sacadas e movimentos fixionais.
Quanto às três primeiras classes de movimentos
oculares, destacam-se:
367Sociedade Brasileira de Cartografia, Geodésia, Fotogrametria e Sensoriamento Remoto, Rio de Janeiro, Nov/2017
Anais do XXVII Congresso Brasileiro de Cartografia e XXVI Exposicarta 6 a 9 de novembro de 2017, SBC, Rio de Janeiro - RJ, p. 367-372S B
C
• smooth pursuits - permitem a continuidade do
rastreamento e comando visual entre a
observação de objetos em movimento. Os
movimentos são curtos, pausados e voluntários;
• reflexos oculares - igualam e harmonizam o
movimento dos olhos em relação aos
movimentos de corpo e é apropriadamente
relacionado ao sistema vestibular;
• vergência são acomodações do olhar que
recoloca os objetos que estão em distâncias
diferentes do observador ou um objeto que se
movimenta em relação à fóvea (LIVERSEDGE
et al., 2011; WERNER e CHALUPA, 2014).
Independentemente do projeto a ser realizado
utilizando as técnicas de rastreamento do olhar,
os rastreadores oculares podem ser classificados
de acordo com a forma que são montados:
dispositivos montados no desktop e dispositivos
montados na cabeça (MAIA,2008).
3- DISPOSITIVOS MONTADOS NA CABEÇA
Os dispositivos montados na cabeça foram
criados para que o usuário tivesse mais liberdade de
movimentos de cabeça (MAIA,2008). Esses
dispositivos eram muito pesados e incômodos, mas
permitia a instalação de sensores adicionais. Assim se
mostrou uma excelente solução para os problemas de
movimento de cabeça. Esta pesquisa foi proposta por
Hartridge e Thompsom em 1948.
No presente, os rastreadores oculares montados
na cabeça utilizam-se de câmeras de vídeo que indicam
a posição dos olhos. Esses equipamentos se movem
junto com a cabeça do indivíduo, mas na verdade a
movimentação da cabeça concebe uma mínima
variação em relação à posição da câmera em referência
aos olhos do usuário, intitulado de escorregamento.
Esse escorregamento é compensado por uso de
algoritmos (KOLAKOWSKI E PELZ, 2006).
Este projeto pode ser acrescido de uma câmera
de cena, que é uma câmera que grava imagens do
mesmo ponto de vista dos usuários, assim criando
novas funções para situações reais, sem a imposição de
um ambiente controlado (ROTHKOPF; PELZ, 2004).
4- HARDWARE DE RASTREAMENTO
MONOCULAR
Foi empregado para o rastreio uma montagem
de câmeras desenvolvida por Michał Kowalik em 2010
da Universidade da Pomerânia do Leste/Polônia. Nesta
montagem alterou-se a iluminação da câmera que fica
montada na cabeça e rastreia o olhar; ela passou a
utilizar LEDs e filtro de infravermelho de 750m.
Associada à essa câmera encontra-se outra apontada
para a área visualizada. A segunda câmera foi
embutida em um tripé fotográfico para que se tivesse
uma tomada vertical da área da carta. Foram utilizadas
webcam de 5MP com conexão USB que encontravam-
se conectadas a um computador laptop via um hub
USB.
O computador laptop tinha configuração de:
processador com clock de 2.2 GHz e placa de vídeo de
1GHz acima dos requisitos mínimos demandados e
memória ROM de 500GB.
5 - SOFTWARE DE RASTREAMENTO DO OLHAR
Foram utilizados os softwares Haytam Server e
Haytam Client para a aquisição dos dados. Haytham é
um software de código aberto para o rastreamento de
olhar, adequado para montagens sobre a cabeça e
remota. Ele fornece estimativa da posição do olhar em
tempo real no campo de vista do usuário ou em um
monitor de computador, analisando o movimento dos
olhos. Haytham oferece interação baseada em olhar
com telas de computador. O software é construído por
C#, usando bibliotecas de processamento de imagem
Emgu e a Forge. Haytham foi desenvolvida por Diako
Mardanbegi durante sua tese de doutorado
supervisionado por Dan Witzner Hansen, da
Universidade de Copenhague TI.
Dentre as principais características do software
estão:
• Estimativa da posição do olhar no campo de
visão do usuário;
• Rastreamento montado na cabeça e remoto;
• Exportar os dados de rastreamento ocular
como um arquivo .txt;
• Plotagem dos dados da fixação ocular em
tempo real exibido na imagem da cena.
Mesmo com várias funcionalidades os dados
provenientes do software Haytham tiveram que ser
editados. Os dados foram então editados e plotados
utilizando planilha eletrônica e software CAD.
6 - MÉTODO
Foi realizado um teste de usabilidade avaliando
preliminarmente o uso dos rastreadores oculares em
âmbito cartográfico e restringindo o número de
usuários e o perfil desses usuários.
Assim foram escolhidos participantes com nível
superior incompleto, maiores de 18 anos e capazes do
ponto de vista civil. O grupo foi composto de oito
participantes, sendo cinco homens e três mulheres, com
idades entre 19 e 23 anos. O perfil selecionado foi de
pessoas com estatura mediana, que não utilizassem
óculos, onde os traços étnicos tendessem a olhos
amendoados e escuros. Verificou-se que olhos mais
claros têm pouco contraste da íris e pupila quando
expostos à iluminação infravermelha. E a não
exposição da circunferência da pupila causa perda do
rastreio mais frequente.
368Sociedade Brasileira de Cartografia, Geodésia, Fotogrametria e Sensoriamento Remoto, Rio de Janeiro, Nov/2017
Foram selecionados voluntários que iniciaram
suas atividades discentes em cursos de graduação da
UFRRJ. Este critério teve por objetivo avaliar a
capacidade de percepção sob a carta por parte de
estudantes que não tivessem familiaridade com a
mesma. Após a montagem do experimento cada
estudante tinha que realizar o processo de calibração. O
processo de calibração implementado no software
Haytam Server v1.3 tem o objetivo de orientar o
referencial da câmera montada sobre a cabeça com a
câmera da visualização da cena. Esta calibração pode
ser feita por modelos de transformações ortogonais
bidimensionais de 4 parâmetros (duas translações, uma
rotação e um fator de escala) :
ou por um polinômio de 8 parâmetros que modelaria
distorções projetivas:
Após a calibração os voluntários eram arguidos.
As perguntas versavam sobre a localização e traçado de
rotas sobre a carta. Eles realizaram três rotas:
• Tarefa 01: identificação de uma rota entre
entrada e um Instituto.
• Tarefa 02: identificação de percurso entre dois
institutos.
• Tarefa 03: identificação de rotas alternativas a
obstruções hipotéticas.
A carta foi colocada sob um lâmina de vidro
que permitia que os estudantes desenhassem as rotas
sugeridas sobre a carta utilizando marcador de quadro
branco. Dentre os dados que eram gravados estavam:
1. Vídeo do movimento do olhar e
detecção da pupila;
2. Vídeo da cena com ponteiro do
movimento do olhar na cena;
3. Arquivos texto das coordenadas do
centro da pupila, coordenadas da fixação do
olhar, o diâmetro da pupila e o instante em
que a medida foi realizada.
Após a coleta, os dados foram editados. A
necessidade da edição se deu, devido ao não
reconhecimento da posição da pupila em determinados
instantes. O algoritmo perdia o rastreio em função do
fechamento dos olhos, por vibração do sistema ou pelo
movimento abrupto da cabeça. Outra influência sobre o
rastreio era a má visualização da pupila em função da
abertura da pálpebra. Esses fatores implicavam em
reconhecimento equivocado do algoritmo gerando
pontos fora da carta ou valores nulos no arquivo de
coordenadas.
Os arquivos editados eram utilizados para a
plotagem das coordenadas e associados a imagem da
carta com o auxílio de software CAD.
A dispersão dos pontos de rastreamento de
pupila e fixação do olhar dos entrevistados foi
analisada comparando-se as respostas e julgando o
resultado das tarefas.
7- RESULTADOS
Os resultados foram analisados a partir de três
tarefas de roteirização dentro do campus da
Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro,
avaliando o Mapa do Campus Seropédica,
disponibilizada pelo site da universidade. Citado como
Mapa de Orientação para os calouros de 2014.1.
As três tarefas executadas pelos participantes
foram:
• 1ª tarefa – Criar uma rota alternativa
entre o portão de acesso da universidade até o
Departamento de Geociências (DGEO).
• 2ª tarefa – determinar a melhor rota
entre dois prédios, partindo do Departamento
de Geociências (DGEO) e chegando ao
Instituto de Florestas (IF).
• 3ª tarefa – Com uma interrupção
hipotética no prédio da Matemática –
Pitágoras, criar uma rota alternativa entre o
Departamento de Geociências (DGEO) e o
Instituto de Florestas (IF).
No teste foram avaliados sete alunos calouros
da turma– do curso de Engenharia de Agrimensura e
Cartográfica e uma professora especialista na área de
cartografia.
369Sociedade Brasileira de Cartografia, Geodésia, Fotogrametria e Sensoriamento Remoto, Rio de Janeiro, Nov/2017
Quadro 01: Dados dos participantes
Figura 1: Cartograma do campus da Universidade Federal Rural do Rio de Janeiro, sobreposto os dados de todos os
participantes.
Ao analisar o tempo e a distribuição dos pontos
dos participantes verifica-se que quanto menor o
tempo de execução das tarefas menor era o
conhecimento real sobre o campus, pois não se levou
em consideração sua vivência acadêmica para traçar a
melhor rota. Os participantes fizeram seu trabalho
maneira arbitrária tendo as opções dadas na carta como
possibilidades de rotas a serem percorridas, apenas
ligando dois pontos sem pensar por onde estariam
passando.
Ao analisar o quadro 02 verifica-se que:
• 100% dos voluntários mostraram dificuldades
de encontrar o prédio da Matemática –
Pitágoras e tiveram que recorrer à legenda
para se localizar no mapa.
• 87,5% da amostra demonstraram recorrência
sobre a legenda para fazer alguma das tarefas.
• 62,5% dos usuários demonstraram alguma
forma de atenção ao se deparar com a
NOME CIDADE BAIRRO IDADE
(anos) CALIBRAÇÂO
(s)
TEMPO
TOTAL
(min)
Voluntário 1 Rio de Janeiro Sepetiba 21 14s 2,23
Voluntário 2 Rio de Janeiro Anchieta 21 9s 1,21
Voluntário 3 Rio de Janeiro Padre Miguel 19 12s 4,00
Voluntário 4 Rio de Janeiro Santa Cruz 19 22s 2,34
Voluntário 5 Seropédica Fazenda Caxias 19 21s 4,10
Voluntário 6 Rio de Janeiro Méier 20 9s 2,34
Voluntário 7 São Gonçalo Alcântara 19 18s 1,39
Voluntário 8 Rio de Janeiro Recreio - 5s 3,54
Média 15s 2,64
Voluntário 1
Voluntário 2
Voluntário 3
Voluntário 4
Voluntário 5
Voluntário 6
Voluntário 7
Voluntário 8
370Sociedade Brasileira de Cartografia, Geodésia, Fotogrametria e Sensoriamento Remoto, Rio de Janeiro, Nov/2017
bifurcação próxima ao instituto de Zootecnia
(IZ) e ter que determinar uma rota.
• 50% dos indivíduos da amostra fixaram o
olhar sobre a EMBRAPA, tanto por ser uma
das poucas coisas identificada corretamente
sobre o mapa, quanto por ser uma forma de se
localizar para realizar a primeira tarefa.
• 37,5% dos participantes fixaram o olhar sobre
o Pavilhão Principal (P1) para tentar se
localizar no mapa e traçar a primeira tarefa. O
quadro a baixo demonstra as áreas em que os
voluntários fixaram o olhar.
Legenda Pavilhão
Central(P1)
Matemática –
Pitágoras Embrapa
Bifurcação
Próx.(IZ)
Voluntário 1 X X X X
Voluntário 2 X X X
Voluntário 3 X X X X
Voluntário 4 X X X
Voluntário 5 X X X X
Voluntário 6 X X
Voluntário 7 X X X
Voluntário 8 X X X X
% da amostra que
fixou o olhar
87,5 37,5 100 50 62,5
Quadro 02: Demonstrando as áreas de fixação do olhar e os voluntários
8 - CONCLUSÃO
Ao analisar o tempo necessário aos participantes
para realizarem as três tarefas é possível dividi-los em
dois grupos que tiveram dificuldades específicas. No
primeiro grupo, os que tiveram tempo acima da média,
tentaram recriar trajetos ou localizar referências que
utilizam diariamente no seu trajeto ao Instituto de
Tecnologia. No segundo grupo, os participantes se
ativeram à identificação dos pontos iniciais e finais das
rotas, utilizando as possibilidades dispostas no
cartograma e, com essa observação, eles realizaram a
opção por uma rota possível. Neste caso, as
dificuldades associaram-se ao uso excessivo da
legenda. Outro problema é foi a localização da entrada
que não está explícita na carta.
A distribuição das fixações nos mostram que
informações desatualizadas e a falta de detalhamento
na caracterização correta de referências importantes
fizeram com que os voluntários tivessem que recorrer
muitas vezes à legenda.
Com base na heterogeneidade dos resultados
podemos afirmar que o mapa não atende a nenhum dos
conceitos de qualificação, pois ele não tem expressão,
assim não evidencia, nem enriquece, os aspectos de
maior relevância. Falta ao mapa também eficácia já que
os voluntários levaram muito tempo para extrair as
informações, e tiveram que recorrer várias vezes à
legenda. A legibilidade foi prejudicada, visto que o
mapa não apresentava os símbolos que torna mais fácil
a compreensão das características físicas do campus.
Podemos verificar que não existem referências para a
identificação dos usuários na abstração de uma rota.
Acredita-se que com a organização da legenda e
sua hierarquização por importância utilizando variáveis
gráficas, como tamanho para o projeto dos símbolos,
poderia modificar a interpretação da carta. Além disso,
existem questões relacionadas a sua atualização e
detalhamento que influem negativamente na sua
interpretação, podendo levar a confusão durante sua
utilização prática.
As conclusões se basearam apenas na
distribuição dos pontos de fixação coletados, sugere-se,
para próximos trabalhos, uma análise sobre
implementação de métodos que avaliem a sequência da
fixação ou a interpolação dos valores amostrados.
Também se sugere a ampliação das amostras para que
se tenha uma maior representatividade do resultado
final.
9 - REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
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Circulation: Movement Patterns and the General
Value Principle. California Academy of Sciences ,
2010.
KOLAKOWSKI, Susan M.; PELZ, Jeff B.
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